一種阿貝折射儀的光路結構的製作方法

2023-05-11 06:17:46 1

專利名稱：一種阿貝折射儀的光路結構的製作方法
技術領域：
本實用新型涉及光學測量儀器領域，特別涉及一種阿貝折射儀的光路結構。
背景技術：
折射率是物質的重要物理常數之一，許多純物質都具有一定的折射率，如果其中 含有雜質則折射率將發生變化，出現偏差，雜質越多，偏差越大。因此通過折射率的測定，可 以測定物質的純度。阿貝折射儀(也稱阿貝折光儀)是根據光的全反射原理設計的儀器，它 利用全反身臨界角的測定方法測定未知物質的折光率，可定量地分析溶液中的某些成分， 檢驗物質的純度，是石油工業、油脂工業，製藥工業，造漆工業、食品工業、日用化學工業，制 糖工業和地質勘察等有關工廠，學校及研發單位不可缺少的常用設備之一 。
其工作原理如下 當一束單色光從介質1進入密度不同的介質2時，光線在通過界面時改變了方向， 這一現象稱為光的折射，光的折射現象遵從折射定律
sin a 一 w2 ^~^ = 一
sin 〃 (j) 式中a為入射角，13為折射角&、化為交界面兩側兩種介質的折射率。當光線從 一種折射率小的介質1射入折射率大的介質2時(ni 13)。當入射角增大時，折射角也增大，設當入射角3 = 90°時，折射角為！3。，我們將此折 射角稱為臨界角。因此，當在兩種介質的界面上以不同角度射入光線時(入射角a從0。
90° )，光線經過折射率大的介質後，其折射角13《P。，其結果是大於臨界角P。的部分無 光線通過，成為暗區；小於臨界角的部分有光線通過，成為亮區。臨界角成為明暗分界線的 位置，根據(1)式可得 ^『-^『.sir^
s認 (2) 因此，在固定一種介質時，臨界折射角13 。的大小與被測物質的折射率是簡單的函
數關係，阿貝折射儀就是根據這個原理而設計的。 現有的多光源折射率測量系統，通過選擇多個光源中的一個合適的光源使臨界角 對應的分界線移至可測範圍，從而起到擴大量程的作用；CCD陣列裝在距透鏡距離為L處， L不等於透鏡焦距，即CCD陣列位於偏離透鏡後焦面處，此時光源的線寬將使得一個角度對 應於一點變成了對應於一個光斑，造成了暗區到亮區的過渡過寬，即變化不銳，從而影響精 度。現有的技術都採用透鏡成像在CCD陣列上，由於透鏡總是存在像差，影響自動阿貝折射 儀的準確度。 可見，現有技術中的自動阿貝折射儀的測量系統存在如下問題 1.光路複雜，光學元件繁多，必然造成光路調試困難，用戶需要具備一定的專業技
術才能夠對儀器進行操作。 2.聚光透鏡和稜鏡分離，使 器的體積增大。[0013] 3.繁多的光學元件導致儀器成本居高不下。 4.使用多個LED光源組來實現大量程的測量，使得系統變得更加複雜、笨重，價格 昂貴，不利於儀器小型化。 5. CCD陣列偏離透鏡後焦面，導致暗區到亮區的過渡過寬，即變化不銳，從而影響 精度。 6.由於現有的自動阿貝折射儀都採用透鏡成像，而透鏡總是存在像差，制約了現 有自動阿貝折射儀的精度進一步提高。

實用新型內容本實用新型的目的是提供一種相對簡單的阿貝折射儀的測量光路結構，實現高精 度自動阿貝折射儀對各種物質折射率進行測量。 —種阿貝折射儀的光路結構，包括LED光源組、線陣CCD接收面和光路座，其特 徵在於，還包括一聚折光組件，該聚折光組件具有樣品測量面、入射面和出射面，所述的聚 折光組件的入射面垂直於置於所述光路座內部的圓孔軸線，該圓孔軸線同時垂直於所述的 LED光源組的發光面，所述的聚折光組件的出射面平行於所述線陣CCD接收面，所述的聚折 光組件的入射面為平凸聚光透鏡入射面，所述的聚折光組件的出射面為稜鏡的一個腰面。 所述圓孔的孔徑小於1毫米，所述的聚折光組件由一平凸聚光透鏡膠合於一折光 稜鏡的入射腰面的中心處組成，所述平凸聚光透鏡和所述折光稜鏡的折射率相同，該折射 率在1. 73 2. 0之間，所述平凸聚光透鏡的焦距在8毫米 10毫米之間，通光孔徑7. 5毫 米 毫米之間，會聚角度在-30度 +30度之間，所述折光稜鏡的兩個底角在50度 70度 之間，所述的線陣CCD接收面與所述折光稜鏡的出射腰面的距離在31毫米 35毫米之間。 所述的LED光源組、線陣CCD接收面和聚折光組件封裝於光路座中。 所述的線陣CCD接收面像素在7000個 8000個之間。 所述的LED光源組由單色LED發光二級管組成。 與現有技術相比，本實用新型的測量光路結構簡單，容易操作，成本低，對LED光 源的發光均勻沒有要求，減少了使光波均勻化的磨砂玻璃。高折射率聚光和折光稜鏡的使 用確保了只需一個LED光源組就可以從實現光波從多角度入射到高折射率折光稜鏡上，從 而實現大量程1. 3000-1. 7000範圍內物質折射率的測量。採用單色LED光源克服了用白光 源帶來的色散的影響，無需消色散光路。採用聚光透鏡和稜鏡膠合在一起進一步減少儀器 大小。消除成像透鏡，和採用線陣CCD對通過高折射率折光稜鏡的光波進行探測，大大提高 了儀器探測的精度。整套光路封裝與光路座內，實現了光路模塊化，有助於儀器的小型化， 提高儀器的穩定性。使得自動阿貝折射儀重量輕、體積小、生產裝配容易、製造成本低、測量 範圍大、操作簡單，比現有的自動阿貝折射儀的精度提高一個數量級。

圖1是本實用新型一實施例中的光路結構圖的剖面圖 其中 1-----主機 2-----LED光源組[0028] 3-----圓孔 4------光路座 5------聚折光組件 6------線陣CCD接收面
具體實施方式
以下結合附圖對於本實用新型具體實施方式
作進一步說明。 如圖1所示，本實用新型提供的阿貝折射儀的光路結構，包括LED光源組2、線陣 CCD接收面6和光路座4，其特徵在於，還包括一聚折光組件5，該聚折光組件5具有樣品測 量面、入射面和出射面，所述的聚折光組件的入射面垂直於置於所述光路座內部的圓孔軸 線，該圓孔軸線同時垂直於所述的LED光源組的發光面，所述的聚折光組件的出射面平行 於所述線陣CCD接收面，所述的聚折光組件的入射面為平凸聚光透鏡入射面，所述的聚折 光組件的出射面為稜鏡的一個腰面。 所述圓孔3的孔徑小於1毫米，所述的聚折光組件5由一平凸聚光透鏡膠合於一 折光稜鏡的入射腰面的中心處組成，所述平凸聚光透鏡和所述折光稜鏡的折射率相同，該 折射率在1. 73 2. 0之間，所述平凸聚光透鏡的焦距在8毫米 10毫米之間，通光孔徑 7. 5毫米 毫米之間，會聚角度在-30度 +30度之間，所述折光稜鏡的兩個底角在50度 70度之間，所述的線陣CCD接收面6與所述折光稜鏡的出射腰面的距離在31毫米 35毫 米之間。 所述的LED光源組2、線陣CCD接收面6和聚折光組件5封裝於光路座4中。光路 座4裝於主機1內。 所述的線陣CCD接收面6像素在7000個 8000個之間。 所述的LED光源2組由單色LED發光二級管組成。 現給出本實用新型的一個實施例。nm為納米單位，mm為毫米單位。 選用主波長為589.3士7nm的大功率黃色LED發光管組成穩定的發光源，接通電
源，發光二極體發出的小角度發散單色光通過孔徑為0. 5mm小圓孔，模擬成為點光源。從圓
孔3發出的光，經過高折射率聚光和折光稜鏡的小平凸聚光透鏡形成匯聚光斑，該小平凸
聚光透鏡的焦距分別為9. 06mm，通光孔徑為8mm，折射率為1. 77236，膠合在高折射率折光
稜鏡一腰的中心處，該小平凸聚光透鏡在高折射率折光稜鏡和被測樣品的接觸面上產生會
聚角度為±15度的會聚光，該會聚角度剛好能夠滿足測量要求，通過被測樣品的光波從不
同方向進入高折射率折光稜鏡，為了保證光波能夠在被測樣品與高折射率折光稜鏡相接的
界面處發生全反射，選用底角為60度折射率為1. 77236的高折射率折光稜鏡，經高折射率
折光稜鏡反射出去的光波直接照射在線性CCD接收面6上。所述高折射率折光稜鏡和小平
凸聚光透鏡膠合在一起形成緊湊的高折射率聚光和折光稜鏡組。使得只有在被測樣品與高
折射率聚折光稜鏡組件5相接的界面處發生全反射的光線才能直接照射在線陣CCD接收面
6上，根據式(2)可知，只要已知稜鏡的折光率r^通過測定待測樣品的臨界角P。就能求得
待測樣品的折射率rid，將上述器件封裝在光路座4中形成一個模塊化光路結構，從而且確保
儀器可以長期穩定可靠的工作。
權利要求一種阿貝折射儀的光路結構，包括LED光源組、線陣CCD接收面和光路座，其特徵在於，還包括一聚折光組件，該聚折光組件具有樣品測量面、入射面和出射面，所述的聚折光組件的入射面垂直於置於所述光路座內部的圓孔軸線，該圓孔軸線同時垂直於所述的LED光源組的發光面，所述的聚折光組件的出射面平行於所述線陣CCD接收面，所述的聚折光組件的入射面為平凸聚光透鏡入射面，所述的聚折光組件的出射面為稜鏡的一個腰面。
2. 如權利要求1所述的阿貝折射儀的光路結構，其特徵在於，所述圓孔的孔徑小於1 毫米，所述的聚折光組件由一平凸聚光透鏡膠合於一折光稜鏡的入射腰面的中心處組成， 所述平凸聚光透鏡和所述折光稜鏡的折射率相同，該折射率在1. 73 2. 0之間，所述平凸 聚光透鏡的焦距在8毫米 10毫米之間，通光孔徑7. 5毫米 毫米之間，會聚角度在一 30 度 +30度之間，所述折光稜鏡的兩個底角在50度 70度之間，所述的線陣CCD接收面與 所述折光稜鏡的出射腰面的距離在31毫米 35毫米之間。
3. 如權利要求1所述的阿貝折射儀的光路結構，其特徵在於，所述的LED光源組、線陣 CCD接收面和聚折光組件封裝於光路座中。
4. 如權利要求1所述的阿貝折射儀的光路結構，其特徵在於，所述的線陣CCD接收面像 素在7000個 8000個之間。
5. 如權利要求1所述的阿貝折射儀的光路結構，其特徵在於，所述的LED光源組由單色 LED發光二級管組成。
專利摘要本實用新型涉及一種阿貝折射儀的光路結構，包括LED光源組、線陣CCD接收面和光路座，其特徵在於，還包括一聚折光組件，該聚折光組件具有樣品測量面、入射面和出射面，所述的聚折光組件的入射面垂直於置於所述光路座內部的圓孔軸線，該圓孔軸線同時垂直於所述的LED光源組的發光面，所述的聚折光組件的出射面平行於所述線陣CCD接收面，所述的聚折光組件的入射面為平凸聚光透鏡入射面，所述的聚折光組件的出射面為稜鏡的一個腰面。本實用新型使得自動阿貝折射儀重量輕、體積小、生產裝配容易、製造成本低、測量範圍大、操作簡單，比現有的自動阿貝折射儀的精度提高一個數量級。
文檔編號G01N21/43GK201548752SQ20092021204
公開日2010年8月11日 申請日期2009年11月10日 優先權日2009年11月10日
發明者孫流星 申請人:上海精密科學儀器有限公司